一、半导体基础知识

1.1、概念

• 按导电能力的不同，自然界物质可分为导体、绝缘体和半导体。
• 常用的半导体材料有硅(Si)和锗(Ge)。
• 半导体的导电能力介于绝缘体和导体之间，并且会随温度、光照或参入某些杂质而会发生显著变化。
• 半导体的特性：温敏、光敏、掺杂

物质的导电能力取决于原子结构。半导体材料最外层电子(价电子)即不像导体那样极易摆脱原子核的束缚，成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。

1.2、本征半导体

将纯净的半导体通过一定的工艺过程制造的单晶体为本征半导体。

1.2.1、本征半导体的晶体结构

规则的晶体点阵，每个原子处于四面体中心，其它4个原子位于体面提的顶点。

1.2.2、共价键结构平面示意图

• 每个原子最外层电子受到自身原子核和相邻原子核的吸引
• 两个相邻的原子共有一对电子，形成晶体中的共价键

1.2.3、本征半导体中的两种载流子

共价键中电子的能量不足以摆脱共价键的束缚，晶体中没有自由电子，即T=0K(T=-273摄氏度)时，半导体不能导电如同绝缘。

1.2.4、温度逐渐升高(热激发)

温度升高，将有少数价电子获得足够的能量，以挣脱共价键的束缚，称为自由电子。但因自由电子的数量很少，导电能力比较微弱，同时，在原共价键中留下一些空穴位(空穴)

1.2.5、空穴位的导电作用

• 空穴吸引临近共价键中电子来填补这个空穴，这时失去了价电子的临近共价键中出现的空穴又可以吸引临近的价电子来补充，从而又出现一个空穴
• 电子的填补运动相当于带正电荷的空穴在运动，称为空穴运动。

1.2.6、结论

• 半导体区别于金属导体的一个重要特点：在半导体中存在两种运载电荷的粒子，即载流子：带负电的自由离子和带正电荷的空穴
• 本征半导体中自由离子和空穴总是成对产生，成为电子一空穴对，两种载流子浓度相同。
• 当自由离子填补空穴时，叫复合。
• 在一定温度下，电子 ----空穴对的产生和复合运动达到了平衡，使电子---空穴的浓度一定。
• 本征半导体中虽然存在两种载流子，但因为本征载流子的浓度低，所以总的来说导电能力很差。
• 温度的升高，载流子的浓度基本上呈指数规律倍增，因此，本征半导体的导电与温度环境密切相关。

1.3、杂质半导体

本征半导体虽然存在两种载流子，但因浓度很低，所以导电能力很差。

本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可以使半导体的导电性发生显著变化。

掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体

N型半导体：掺入五价杂质元素(如磷)的半导体    Negative

P型半导体 ： 掺入三价杂质元素(如硼)的半导体、

1.2.1、N型半导体（电子半导体）

• 在N型半导体中自由电子(Negative)是多数载流子，它主要由杂质原子提供，空穴是少数载流子，由本征激发形成
• 在N型半导体中多子：多数载流子   自由电子   带负电荷
• 在N型半导体中少子：少数载流子   空穴          带正电荷

1.2.2、P型半导体（空穴半导体）

在P型半导体中，空穴是多数载流子，主要由杂质原子提供：自由电子是少数载流子，由本征激发形成。

1.2.3、杂质半导体的简化表示

对于杂质半导体，从总体上来看，任然保持电中性。

在P型区中，多子空穴的浓度等于负离子的浓度与少子电子浓度之和(多子空穴的浓度=负离子的浓度+少子电子浓度)。

在N型区中，多子浓度等于正离子的浓度与少子空穴的浓度之和。

1.2.4、总结

• 杂质半导体中多子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度，而少子的浓度主要取决与温度的变化。
• N型半导体主要靠电子导电，掺入的杂质元素越多，自由电子的浓度越高，导电性能越强。
• P型半导体主要靠空穴导电，掺入的杂质元素越多，空穴的浓度越高，导电性能越强。
• 纯净半导体掺入杂质元素后，导电性能大大提供
• 杂质半导体的特点：本征半导体掺入不同性质、不同浓度的杂质元素后，并对P型和N型半导体采用不同方式组合，可制造出不同用途的器件

1.3 、PN结的形成和单向导电型

1.3.1、PN结概念

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制在同一块硅片上，在它们的交界面附近就形成PN结。

1.3.2、PN结中载流子的运动

交界面两侧电子和空穴的浓度相差悬殊，P型区的多子空穴要向N型区扩散，同时N型区的多子电子要向P型区扩散。

电子和空穴相遇时，发生复合而消失，于是在交界面处形成一个由不能移动的正，负离子组成的空间电荷区，即PN结。由于空间电荷区内缺少可自由运动的载流子，右称为耗尽层

多子的扩散运动破坏了P型区和N型区的电子中性，形成了内电场。只剩下不能参加导电的正负离子，P区带电负离子，N区带电正离子。

N区离子带正电，P区离子带负电

多子的扩散运动破坏了P型区和N型区的电中性，形成了内电场。内电场将阻止多子继续扩散，利于少子运动。即P型区中的电子向N型区运动，N型区中空穴向P型区运动。

将少子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。

1.3.3、PN结总结

P型半导体，N型半导体的交界处形成浓度差这是造成多子的扩散运动的原因。

在PN结中进行着两种载流子的运动：多子的扩散运动和少子的漂移运动。而且在无外电场和其他激发作用下的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡。

1.4、PN结的单向导电性

在PN结两端外加电压，将破坏原平衡状态扩散电流不再等于漂移电流，PN结将有电流流过。

当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。

1.4.1、PN结外加正向电压时处于导通状态

• 当外加电压使PN结P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，此时，PN结状态称为正向偏执，简称正偏。
• P区加的是电压的正极，N区加的是电压的负极

• 外加正向偏电压时，外电场正电荷运动方向为P区向N区（正电荷运动方向即电流方向即外电场方向）。
• 内电场与外电场方向相反。

PN结导通时的结压降只有零点几伏，因而要在所在回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

1.4.2、PN结外加反向电压时处于截止状态

当外加电压使PN结中N区的电位高于P区的电位，称为加反向电压，此时，PN结状态为反向偏执，简称反偏。

P区加的是电压负极，N区加的是正极。

1.4.3、PN结的伏安特性

PN结的伏安特性曲线

正向电流非常大，反向电流非常小

反向电流非常小，近似分析中常将其忽略不计，认为PN结加反向电压时处于截止状态。

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流。即PN结具有单向导电性。

1.5、二极管

1.5.1、相关概念

• PN结用外壳封装，并加上电极引线就构成了二极管。
• 由P型区引出的电极为阳极。
• 由N型区引出的电极为阴极。
• 按制造二极管的材料分，有硅二极管和锗二极管。
• 从管子的结构来分，有点接触型、面结型二极管。

1.5.2、二极管的伏安特性曲线

正向特性：正向电压低于某一数值时，正向电流很小，几乎为0，只有当正向电压高于某一值后，才有明显的正向电流，该电压称为导通电压，又称为门限电压或死区电压，用Uon表示，且随着电压的升高，正向电流急剧增大，电压与电流的关系基本上是一条指数曲线。

反向电压：二极管加反向电压，反向电流数值很小，而且当反向电压超过零点几伏以后，反向电流不再随着反向电压而增大，基本不变，达到了饱和，称为反向饱和电流I3。硅管反向饱和电流为纳安（nA）数量级，锗管的为微安数量级

二极管击穿不意味着二极管被损坏。当反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值，不使其过大，即可避免因过热而烧坏二极管；而且当反向电压降低后，二极管的性能仍能恢复正常。

1.5.3、二极管方程

1.5.4、二极管的主要参数

1.5.4、二极管应用

1.6、稳压管

• 普通二极管不允许在反向击穿状态下工作。
• 利用二极管反向击穿时，流过二极管的电流急剧增大，但二极管两端的电压却几乎保持不变这一特性，采用特殊工艺制成在反向状态下工作而不损坏的二极管，就是稳压管(即单向击穿二极管，又称齐纳二极管)。

稳定电压为  击穿电压

1.6.1、稳压管伏安特性曲线

稳压管的正向特性和普遍二极管相同。

当反向电压较小时，反向电流几乎为0，稳压管处于截止状态，不具有稳压特性。当反向电压增大到击穿电压Uz时，反向电流I2将急剧增加。

稳压条件：电机穿，且

1.6.2、稳压管的主要参数

限流电阻

稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，使稳压管的工作电流在最小工作电流和最大工作电流之间，防止超过最大耗散功率而损坏，以保证稳压管正常工作，该电阻为限流电阻。

元素周期表